Протягом всієї своєї історії люди черпали знання із природи, яка знаходиться на відстані голосу, на відстані погляду і на відстані витягнутої руки. Все, що ми маємо, знаходиться у природі навколо нас. Але за тисячі років так і не вдалося зрозуміти всього, бо природа має свої таємниці, які ще не розгадано.
Досягнення вчених у вивченні біологічних систем, їх різноманітних процесів, властивостей та загальних закономірностей стоять на високому рівні. Тому розкривши особливості будови і життєдіяльності організмів та з метою використання їх для рішення інженерних завдань, виникла наука, яка стоїть на межі біології та техніки, що носить назву біоніка. Це наука про використання в технічних приладах та системах принципів організації, властивостей, функцій та структур живої природи. Ідея використання знань про живу природу для вирішення технічних завдань належить Леонардо да Вінчі, який намагався побудувати літальний апарат з рухомими крилами, як у птахів, і назвав його орнітоптер.
На жаль у шкільній програмі з біології нема жодного уроку, де можна було б розглядати біоніку. Лише на деяких уроках або виховних заходах, ми можемо навести учням приклади використання принципів будови тіла або руху певного організму, які використовуються для створення споруд, приладів, якоїсь техніки.

Біологія рослин та біоніка.

1. Вивчаючи будову листків рослин та їх жилкування необхідно звертати увагу на архітектоніку та призначення різноманітних жилок. Подібно будові листка будують дерев’яні основи для дахів будинків. Вздовж розміщують основну балку, перпендикулярно прикріплюються поперечні, а вже на них накладаються дошки.
Подібно до будови листків рослин у конструкціях дахів створюється необхідна жорсткість та стійкість, даючи можливість без опор перекривати широкі простори. Тому будівлі, які створює людина, так як і зелені листки добре протистоять впливу кліматичних та інших несприятливих умов.
1. Вивчаючи ріст стебла у висоту та формування крони, учні розуміють, що крона дерева нагадує форму конуса – конусом вниз. Сам стовбур від кореня і до верхівки також має форму конуса, але конусом вгору. Тобто дерево має два конуси. Такий вигляд забезпечує протидію зовнішнім впливам, наприклад, вітру і тому створює умови для кращого освітлення кожного листочка сонцем. У багатьох країнах будують будинки по аналогії з формою крони дерева.
2. Внутрішню будову стебла трав’янистих рослин беруть за приклад для зведення конструкцій фабричних труб. Для них використовується набагато менше будівельних матеріалів, ніж для інших труб. Протидія вітру не гірша за природні стебла рослин.
3. Вченим вдалося відтворити штучно процес фотосинтезу. Скляну посудину, що за формою нагадувала листок заповнили жовтим розчином і поставили на відкрите сонячне місце. Під променями світла розчин перетворився на зелений і в посудині з’явилися пухирці газу, тобто виділився кисень. Штучний фотосинтез відкрив великі можливості перед енергетикою. На жаль, штучні хлоропласти існують зовсім небагато, всього кілька годин, отже виникає проблема, яку необхідно вирішувати: як зробити хлоропласти довгожителями.
4. Після знайомства з будовою квітки, ми знаємо, що пелюстки можуть відкриватися і закриватися, захищаючи головні частини та утримуючи тепло. Для того, щоб зберегти тепло, пелюстки згортаються, але не повністю, утворюючи всередині ввігнуту поверхню. Промені, проникаючи в квітку, відбиваються від внутрішніх поверхонь пелюсток і концентруються на маточці. Такий принцип концентрації розсіяної енергії в одному напрямку, люди використовують у техніці. Це, наприклад, ввігнуте дзеркало – рефлектор, що концентрує світлові промені в одному напрямку. Такі рефлектори використовуються у медицині, кіноапаратурі та різних приладах.
Особливості будови квіток використовують архітектори при проектуванні споруд. Наприклад, у Москві відкритий Олімпійський стадіон схожий на екзотичну квітку вікторію регію. У Болгарії виставковий центр виконаний також у вигляді квітки, яка розкривається.
5. Стебла злакових рослин досить цікаві для біоніки тим, що будова соломини така, яка дозволяє їм постійно колихатися, а при великому вітрі нахилятися і знову виправлятися. Адже висота злаків у 200-300 разів більша за діаметр стебла. Таємниця збереження рослинами гнучкості та міцності знаходиться у будові стебла: меживузля порожнисті, а вузли заповнені тканинами.
За принципом будови стебла злакових рослин та стовбура дерев побудована Останкінська телевізійна вежа. Її основа потовщена, верхівка гострокінцева, а по периферії вздовж стін розміщені металеві конструкції як у стеблі всередині. При сильному вітрі вежа може розгойдуватись, як стебло пшениці до 10 м із сторони в сторону, причому зберігаючи міцність. За дослідженнями вчених вона може витримати, навіть, землетрус у 8 балів. І проіснувати ця споруда повинна не менше, ніж 300 років.
У містах будують багатоповерхові будинки, які схожі на початки кукурудзи. Вони досить міцні і красиві зовні.
На основі принципу будови гнучкого та міцного стебла бамбука також споруджують висотні споруди. Вони необхідні у місцевостях, де можливі поштовхи землі. Верхні поверхи можуть відхилятися на кілька десятків сантиметрів, зберігаючи стійкість.

Біологія тварин та біоніка.

1. На основі будови та переміщення у грунті дощового черв’яка, вченими було створені установки для буріння свердловин. Тому що, скорочуючи кільцеві м’язи, дощові черви роблять передній край тіла досить тонким, який легко проникає між частинками грунту. Коли скорочуються поздовжні м’язи, передній кінець потовщується, чим і розштовхує грунт, утворюючи нірку. Вчені пояснили, що пробурюючи шари землі, частина її висипається у отвори на бурильних трубах. А після закінчення буріння, землю ущільнюють.
2. Молюски також стали прикладами для біоніки. Придивившись до раковини архітектори віднайшли, що її форма зручна і може використовуватись при спорудженні державних споруд. Першими, хто використав будову раковини молюсків у будівництві, були американці. Вони будували школи по спіралі. Із основної частини можна легко потрапляти у навчальні приміщення, у класи з технічними засобами навчання, у дитячий театр, у кабінети для адміністрації.
На основі функції мантійної порожнини молюсків фільтрувати і сортувати частини, які знаходяться у воді, почали споруджувати технічні берегові очисні системи. Звичайно, такі системи постійно удосконалюються, тому що водне середовище може бути надто забруднене.
3. Кінцівки рака, а саме клешні, з їхніми рухами є також прикладами створення технічних засобів. Ці органи захоплюють їжу, підтягують її до рота, досліджують навколишнє середовище та слугують опорою. Не завжди клешні досягають певної мети, тоді рак знову повторює свої рухи, але частіше змінює положення свого тіла та траєкторію руху в просторі. Конструктори промислових роботів, вивчаючи рухи раків, створили механічну руку і системи керування нею.
4. Лассо – своєрідний аркан, що відомий з давніх-давен для відловлювання коней. Схожий цей пристрій на ловильні сітки павуків, але не всіх, а певних видів. Наприклад, у Південній Америці живуть павуки, які роблять із павутини сачок. Вдень вони перебувають в оціпенінні, і схожі на бруньки дерева, а вночі плетуть ловчу сітку, яку натягують між кінцівками. Коли комаха пролітає повз павука, той миттєво витягує довгі ноги і натягує павутинну сітку на жертву. А в Австралії живуть павуки, які на кінець нитки прикріплюють крапельку своєї рідини. Коли жертва наближається, то павук стрімким влучним кидком кидає нитку з клейкою краплею так, щоб вона влучила комаху, після чого її крила та лапки склеюються. Такі ловильні пристосування сподобалися людям і ті зробили штучну ловильну сітку - лассо, які використовуються у господарстві.
5. На основі будови кінцівок мухи вченими були створені крокуючі роботи, які відшуковують на металевій поверхні дефекти. Чому саме муха була об’єктом для такого відкриття. Мабуть, тому, що на лапках у цих комах наявні різноманітні хеморецептори – мініатюрні біологічні датчики. Їх 4 типи: одні аналізують склад води, інші визначають наявність цукру, треті досліджують різні мінеральні солі, а останні вказують на наявність білкової їжі. Такі ж рецептори наявні і на хоботку ротового апарату. Завдяки всім цим рецепторам муха завжди знає, що у неї під ногами: якого хімічного складу рідина чи їжа, а можливо щось неїстівне. За рухами хоботка можна дізнатися які речовини і в яких концентраціях вживає муха. Отже, на основі таких досліджень вчені змайстрували робот, до корпусу якого прикріпили 6 ніг і кожна має по два приводи (двигун та механізми, що передають інформацію). Механізми відрізняються тим, що один з них для горизонтального, а інший для вертикального переміщення. Нога закінчується чобітком із подушечкою, що просочена клейкою речовиною. Ноги поєднані у дві групи, по три у кожній. Крокує робот спочатку однією групою ніг, а друга приклеєна до опорної поверхні. До черевичків поперемінно подається електричний струм і вони приклеюються. Такому приладу легко визначити дефекти на поверхні. Крім того, робот має око – телекамеру, електричний кабель та трубку для подачі повітря до пневмопроводів.
6. Вивчення будови та форми тіл водних тварин, таких як риби та кити, допомогло удосконалити та довести до досконалості нові апарати, які б відповідали принципам пропорційності в природі. Підводні човни та кораблі мають веретеноподібну обтічну форму тіла із необхідною пропорційністю довжини і ширини. Це сприяє зниженню протидії апарату у воді.
Спостерігаючи за швидкістю плавання тунця та його стрімкими рухами у воді, на вантажних судах почали встановлювати горизонтальні стабілізатори як плавці у тунця, завдяки чому покращилось маневрування суден. А японські кораблебудівники носи своїх суден роблять схожими за формою на голови вусатих китів, і дотримуються також пропорцій тіла цієї морської тварини.
Суднобудівники використовують не лише форму тіла риби чи кита, вони досягли успіхів у створенні пристосувань для байдарок та спортивних човнів. Адже тварини у воді коливаються всім тілом, і хвостом найбільше, неначе по тілу біжить хвиля. Вчені визначили, що хвилеподібний рух економічно вигідний, так як іде мінімальна затрата енергії і досягається велика швидкість.
Вивчення бічної лінії риб також допомогло створенню цікавого приладу. Бічна лінія має численну кількість електрорецепторів, завдяки яким риба сприймає напрямок течії, стан каламутності води та коливання хвилі, відбитої від різних предметів. Цими електрорецепторами риби сприймають зовнішнє електричне поле, низькочастотні коливання води та інфразвуки як провісників землетрусів. Тому люди прибережних зон знають, коли глибоководні риби плавають біля поверхні води, треба чекати землетрусу. Тому біоники, вивчивши поведінку риб, створили прилад, що прогнозує землетруси – сейсмоприймач.
7. Очі жаби досить цікаві і складні структури. Вкриті вони рухомими повіками, рогівка випукла, а кришталик нагадує двоопуклу лінзу. Все це надає їм саме жаб’ячого зовнішнього вигляду. А нервові клітини в очах утворюють чотири шари. Така особлива будова пов’язана і з поведінкою земноводного. На перший погляд, повністю нерухлива жаба може миттєво зреагувати, якщо виникає небезпека. Вченими було доведено, що вона змінює свої стани миттєво лише в тому випадку, якщо в полі її зору з’являєтья рухома здобич. Як це відбувається? Дослідами було доведено, що інформація про муху, яка пролітає біля жаби, надсилається у мозок тварини за допомогою саме 4-ох шарів нервових клітин. Кожен із шарів містить спеціалізовані волокна, які створюють окреме зображення. Один шар сприймає контури істоти, що рухається, другий сприймає контури їстівних тварин або ворогів, третій реагує на переміщення, а четвертий реагує на затемнення. У результаті надісланих від нервових клітин сигналів у мозку жаби виникає сумарне зображення того, що їй необхідно бачити. Тобто, не всього, що навколо, а лише того, що є для неї життєво необхідно.
У лабораторіях багатьох країн стали створювати електронні аналоги очей жаби, приладів з вибірковою здатністю. Електронне око складається із тисяч світлочутливих елементів. За площею воно досить велике, не менше 1 кв.м. Поза світлочутливих клітин розміщуються розшаровані схеми, кожен шар яких виконує певну функцію, як шар нервових клітин ока жаби. Функцію мозку у апараті виконує панель із лампочками. При переміщенні предмету із певними контурами, деякі лампочки миготять, потім інші, тобто наявна вибіркова здатність. Найкраще пристосували такі апарати для сортування листів за індексами, зазначеними на конвертах. У пам’яті автоматичного сортувальника вкладено набір еталонів: шестизначний номер кожного листа автомат прочитує, порівнює із еталоном і направляє у відповідну лунку.
8. Вивчення особливостей стуку дятла було доведено, що у цього птаха при ударі об стовбур дзьоб з тілом утворює єдину міцну жорстку систему, що забезпечує надійність робочих зусиль птаха. Дзьоб під час видовбування личинок діє як долото. Спочатку птах робить декілька слабких ударів, відшукуючи правильне положення дзьоба, потім напружує шийні м’язи і безпосередньо під час сильного удару, все його тіло стає міцною злагодженою системою. Голова і дзьоб рухаються туди-сюди строго перпендикулярно дереву без найменших відхилень. Було доведено, що тільки при такому положенні шия та голова захищені від пошкоджень. Вченим захотілося використати уміння дятла у промисловості при конструюванні нових автомобільних сидінь. Під час аварійної ситуації такі сидіння погашають значні навантаження на тіло від ударів, так як людина і сидіння – це єдина система.
9. Цікавими для біоніки є птахи відкритих водних просторів: альбатроси, фрегати, буревісники. Уміння ефективно керувати своїм польотом досить важливо для кожного птаха, але саме ці види уміло використовують переміщення повітряних потоків під час польотів. З попутним поривом вітру альбатроси направляються вниз до води, над поверхнею розвертаються грудьми до вітру і знову, не махнувши ні разу крилами, плавно піднімаються вгору, використовуючи підйомну силу зустрічного потоку повітря. Вони можуть пролетіти сотні кілометрів, майже не розходуючи енергії. Кожна пір’їна під впливом вітру, приходячи в рух, надсилає сигнали у ЦНС, яка виробляє командні сигнали для крил. Отже, птахи в повітрі без надобності крилами не махають. Раціональність польоту заключається у мінімальній затраті сил при максимальній дальності польоту і максимальному використанню повітряних потоків. Авіаторів постійно приваблюють польоти птахів, тому створюючи планери, вони також використовують енергію руху повітряних мас, літаючи у повітрі без мотору. Тривалість польоту залежить також від уміння планериста використовувати повітряні потоки.
Повітряний спорт сьогодні використовує для катання в повітрі на висоті, пінопластові або пробкові дошки, які прив’язуються до людини. Спортсмени, неначе сковзаються по повітрю, а коли до землі залишається 300 м, відкривають парашути.
10. На основі знань про відмінне риття нір кротами в грунті, створені дренажні машини для осушування боліт. Головна частина такої машини – це дренер. Наявна ще одна складова частина механізму – плуг, який функціонально відповідає кінцівкам крота. Плуг прориває шари землі, а дренер, що рухається за ним, прокладає канал, втоптуючи грунт, як кріт.
11. У летючих мишей досить розвинена система ехоорієнтування. Передатчиком є гортань, яка виробляє ультразвуки. Приймачем є слуховий апарат, налаштований на ту ж саму частоту. Від комахи, яку відчула летюча миша і якою вона хоче поживитися, відбиваються звуки, уже змінені за силою або частотою, у залежності від виду комахи. Тварина точно визначає будову «запеленгованого» об’єкта та відстань до нього. На основі уміння летючих мишей сприймати ультразвуки у минулому столітті створено радіолокаційні станції. У простір посилається імпульс, який відбивається від об’єкту, що відшуковується, потім сприймається приймачем, і у вигляді сигналів виявляється на певному екрані.
Оглядову радіолокаційну систему можна створити на основі будови очей птахів. Тому, що сітківка пташиного ока вибірково обирає об’єкти, що рухаються в одному напрямку, тобто визначає направлений рух. Створена радіолокаційна система як око голуба, може знаходити літаки, що летять у заданому напрямку.
12. Для біоніків цікавими стали, навіть, динозаври. Чому? Коли вчені працювали над проблемою буріння скважин, були створені десятки конструкцій ріжучих поверхонь до бурових колонок. Але всі вони, дійшовши до твердих порід, затуплялись. Потім було згадано про зуби вимерлих плазунів – динозаврів. Конфігурація їхніх зубів підказала винахідникам форму ножа до двохярусної бурової колонки.
13. Навколо нас велика кількість запахів. Ми уловлюємо лише невелику частину. Найкраще розвинений орган нюху у щурів. Адже з ними велася і ведеться уже багатовікова боротьба, а ці тварини виживають. Вважають, що щурі відчувають невелику концентрацію хімічної речовини. Вони за запахом знаходять собі їжу, визначають їстівна вона чи ні, за запахом повертаються до свого житла, визначають своїх та чужих. Адже для них і багатьох інших тварин, запах – це їхня мова. Якби розкрити таємницю високої чутливості органу нюху у щурів, можна було б сконструювати запахоуловлювач-індикатор. З його допомогою вдалося б покращити контроль технологічного процесу приготування харчових продуктів, дегустацію, якість готової продукції. Таких приладів потребують мисливці та єгері для визначення виду тварин та орієнтації місця їх перебування, криміналісти для ефективного ведення розслідування, медпрацівники для діагностики захворювань.
Вчені працювали тривалий час над створенням «механічного носа». На сьогоднішній день його зразки використовуються у парфюмерії, харчовій промисловості, для визначення сп’яніння у водіїв та виду наркотиків, які були вжиті наркотично залежними людьми. Також використовуються для встановлення наявності вибухових речовин.
14. На основі вивчення очей котів, вчені визначили, що ці тварини бачать у 6 разів краще, ніж людина. У сутінках їхні очі світяться, що пов’язано із відображенням світла специфічною структурою органу зору. Штучні очі, які світяться, створені і успішно використовуються на автошляхах для попередження аварій. Це так звані катафоти – оптичні прибори, які вмонтовані на дорожних знаках, на відбійниках доріг і світяться від автомобільних фар.
Здатність котів падати завжди тільки на лапи використовувалась космонавтами у космічних кораблях, де відсутня гравітація. Щоб утримати тіло у вертикальному положенні космонавти повинні здійснювати відповідні обертальні рухи ніг. Адже, кішка при падінні з висоти вирівнює тіло відповідно до поздовжньої осі, тобто тварина обертається у повітрі так, щоб приземлитися на чотири лапи.
15. Дельфіни та кашалоти також мають своє значення для біоніки. По-перше, таємниця великої швидкості плавання дельфінів у воді пов’язана не лиш із обтічною формою, а і з будовою м’язів та шкіри. Шкіра у них багатошарова, між зовнішнім і внутрішнім шарами циркулює рідина. А ще обидва шари поєднані один з одним перетинками. Завдяки такій будові шкіра точно повторює коливання водного середовища. На основі цих досягнень вчені створюють моделі плаваючих конструкцій із штучною шкірою.
Кашалоти мають асиметричний череп, у його лицьовій частині утворюється жирова подушка, заповнена спермацетовим органом. Цей орган слугує для керування плавучістю. Цей жир здатний помітно змінювати свій об’єм під впливом температури. При пониженій температурі, тобто на глибині, жир стає щільнішим і перетворюється на білувату кашкоподібну масу, яка складається із кристалів. У такому стані жир займає менше місця, витісняє менше води і тому плавучість тварини зменшується. Ця здатність кашалотів зацікавила конструкторів підводних апаратів, типу батискафів. Ці апарати повинні опускатися і підніматися, тому їм необхідно мати систему керування, подібну до жиру кашалотів. Головне, щоб вони не забруднювали воду.

Однією із глобальних проблем людства є забруднення довкілля. На даний момент не існує ні єдиної технології безвідходного виробництва. Зате існує природне саморегулююче безвідходне виробництво – це зелений листок. Щорічно весною розпускаються листки, в них відбуваються такі важливі функції як фотосинтез, дихання, транспірація, в результаті яких утворюються поживні речовини та відбувається газообмін. Восени листки опадають і в грунті переробляються на мінеральні речовини, воду та вуглекислий газ, які навесні знову використовуються рослиною. Таким чином, з допомогою листків рослин і зовнішнього середовища відбувається колообіг речовин, тобто зелений листок – це природна лабораторія, яка працює по замкнутому циклу і не забруднює довкілля шкідливими речовинами. Перед людством і, звичайно, перед вченими-біоніками, стоїть завдання створювати безвідходні виробництва не порушуючи природне середовище, як наприклад, це вміють робити зелені листки.
Крім цих завдань, основними напрямками у біоніці є:
- Вивчення нервової системи організмів та моделювання нервових клітин та нервових шляхів для подальшого розроблення нових елементів автоматики, тобто розроблення нейробіоніки.
- Дослідження органів чуттів та інших сприймаючих систем живих організмів з метою розроблення нових датчиків та систем відшукування.
- Вивчення принципів орієнтування, локації та навігації у різних тварин для використання їх у техніці.
- Дослідження морфологічних, фізіологічних, біохімічних особливостей живих організмів для втілення нових технічних та наукових ідей.скачать dle 10.3фильмы бесплатно